液流储能电池项目介绍

一、科学背景和意义

能源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础，是国民经济、国家安全和实现可持续发展的重要基石。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。近年来，国民经济的发展对能源的依存度不断提高，党的十六大提出了到2020年国内生产总值要比2000年再翻两番的宏伟战略目标，这对能源安全和环境保护等问题提出了更高的要求。一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会需要，而又不危及后人的社会。因此，节约能源、提高能源效率，尽可能多地用洁净能源替代高含碳量的矿物燃料，是中国能源建设遵循的原则。中国政府在其发表的《中国21世纪议程》中明确提出：重点开发清洁煤技术、大力发展可再生能源和洁净能源；把开发可再生能源放到国家能源发展战略的优先地位。由胡锦涛主席签署的《可再生能源法》已正式颁布并于2006年1月起实施，这标志着我国在大规模利用可再生能源领域将进入一个新的快速发展时期。

可再生能源包括：风能、太阳能、生物质能、海洋能及小水电等，是一次能源，通常被转化为电能使用。在开发利用可再生能源的过程中，电能储存系统（蓄电池）发挥着重要的作用。例如，风能和太阳能等发电具有不稳定和不连续的特点，需要开发和建设配套的电能储存（蓄电）装置或电站来保证发电、供电的连续性和稳定性，及对大型风电和光伏发电并网后进行调峰和调频。

在电力工业中，大规模的电能储存技术可用于电力的“削峰填谷”，大大改善电力的供需矛盾，提高发电设备的利用率。因此，研究高效蓄电技术，特别是大规模的高效蓄电技术具有重大意义，应该引起高度重视和付出切实努力。

目前，国内经济发达和比较发达地区主要采用基于燃煤热电技术建立中心电站的方式供电，以求得能效（成本）和规模的协调。但世界范围内科技战争、恐怖主义、犯罪活动和意外事故给集中发电和大电网供电模式带来威胁。比较典型的事例如，2003年8月，美国东北部和加拿大部分地区发生了“8－14”大面积停电事故，对当地的航空和陆路交通、正常的科研、生产和居民生活造成了严重影响，甚至引发恐慌心理，成为一个震动世界的大新闻。大电网事故的影响从一个侧面显现了电力供应对高效、大规模蓄电技术需求的紧迫性。

综上所述，研究和开发高效的电能储存技术是国家能源安全和经济可持续发展的重大需求。工业发达国家高度重视大规模蓄电系统的研究和开发，例如日本政府的“新阳光计划”、美国的“DOE项目计划”以及欧盟的“框架计划”等都将储能技术作为研究重点。

到目前为止，人们已提出和开发了多种储能技术，主要可分为物理储能和化学储能两大类。

物理储能主要包括扬水储能和压缩空气储能。这两种储能系统虽然具有规模大、能量转换效率高、循环寿命长和运行费用低的优点，但需要特殊的地理条件和场地，建设的局限性较大，且一次性投资费用也较高。

化学储能，主要包括各种蓄电池、可再生燃料电池（RFC，电解水制氢－储氢－燃料电池发电）和液流电池。

由于大规模储氢目前尚难以实现，且燃料电池价格高，RFC能量循环转换净效率较低，用于航天领域尚可，但不宜用作商业储能系统。

综合比较各种化学储能系统的性能和特点，可知二次电池、金属空气电池及超级电容器由于蓄电容量和价格的限制通常用作不间断电源，而不能用于大规模蓄电场合。可能用于大规模蓄电的则主要是铅酸电池及液流电池。

目前常用于与小型风力发电机配套的是铅酸电池。铅酸电池是比较成熟的蓄电技术，虽然它具有价格低廉、安全性能相对可靠的优点，但仍存在诸多缺点，严重限制了它在大规模蓄电中的应用。例如铅酸电池的循环寿命较短（通常少于千次）；不可深度放电；其容量与放电的功率密切相关，难以满足功率和容量须同时兼顾的大规模蓄电要求。电池组运行的维护费用高，用作大规模蓄电的成本过高，很难满足大规模蓄电的要求。

二、液流储能电池系统简介

液流储能电池系统通常又被称为氧化还原液流储能电池（Flow Redox Cell或Redox flow for energy storage systems，简称为液流储能电池），是由 Thaller，L.H.（NASA Lewis Research Center，Cleveland，United States）于1974年提出的一种电化学储能原理。

液流储能电池系统由电堆、电解质溶液，以及电解质溶液储供体系、系统控制体系、充放电体系等部分组成。液流储能电池系统的核心是电堆，由数十节乃至数百节进行氧化－还原反应，实现充、放电过程的单电池按设计要求串、并联而成，结构与燃料电池的电堆有类似之处。

与通常蓄电池中活性物质被包含在电池的正负极内不同，液流电池中的正、负极氧化还原活性物质，分别溶解于装在两个储液罐中的电解质溶液中，各用一个泵使溶液流经液流电池。电解质在电堆中循环流动，并在离子交换膜两侧的多孔电极上分别发生还原和氧化反应。反应过程中，为了在电池内部形成闭合回路，以及保持膜两侧溶液的电荷平衡，必定有一种离子同步地由膜的一侧通过离子交换膜向另一侧溶液迁移。不同活性物质组合成的电化学体系，各有其特定的反应历程、反应产物和迁移离子。

液流储能电池系统的输出功率取决于电池的面积和单电池的节数，蓄电容量则取决于电解质溶液的量，两者可单独设计。

与其它蓄电池相比，液流储能电池系统有以下优点：第一，液流储能电池系统的能量效率高，可达70－80%。第二，蓄电容量大，可达百兆瓦时。第三，系统设计灵活，电堆易于模块组合，蓄电容量便于调节。第四，活性物质寿命长，可靠性高，且电堆中活性物质易保持一致性和均匀性，充放电时无其它二次电池常有的活性物质的固相及形貌变化。第五，可超深度放电（100%）而不引起电池的不可逆损伤。第六，系统选址自由，占地少，受设置场地限制小；系统封闭运行基本无污染和噪音。第七，电池部件材料便宜易得，性能稳定，且易于回收，不造成环境污染。第八，建设周期短，系统运行和维护费用低。

因此，液流储能电池系统性价比高，在性能和成本上优势明显。由于在成本和效率方面具有的突出优点，液流储能电池应是大规模电能储存的首选技术之

三、国内外研究现状

在强大的社会发展需求和巨大的潜在市场的推动下，基于新概念、新材料和新技术的化学蓄电新体系不断涌现，化学蓄电技术正向大规模、高效率、长寿命、低成本、无污染的方向发展。为了推进我国可再生能源发电的大规模利用，提高替代能源电站的效率以及维护国家安全，研究开发不受选址和设置条件制约的大规模、高效液流蓄电系统，具有重要的经济和社会意义。

经过十多年的研究与开发，大规模高效液流蓄电技术也取得了突破性进展。英国、日本及美国等国家已经建造了兆瓦级示范演示系统。例如，英国Innogy公司于上世纪九十年代初开始开展多硫化钠/溴液流蓄电系统的研发工作，成功地开发出5kW、20kW、100kW三个系列的电池模块。通过将这三种电堆模块串联或并联，可以组合出具有不同输出功率的蓄电系统。该公司于1996年在英国南威尔士的Abetthaw电站对兆瓦级多硫化钠/溴液流莆电系统进行运行测试，结果表明该蓄电系统在技术、环保和安全上都达到设计要求。他们于2000年8月开始建造第一座蓄电容量120MWh，最大输出功率15MW，可满足10000户家庭一整天用电需求的蓄电站。这座电站在2002年建成并投入示范运行。目前Innogy公司正在为Eltra公司在丹麦的一个沿海风能电站建造多硫化钠/溴液流蓄电系统。在军用方面，2001年Innogy公司与美国田纳西流域管理局合作，投资2500万美元在位于美国密西西比的哥伦比亚空军基地建造了世界上第二座多硫化钠/溴液流蓄电系统，规模为l20MWh/12MW，于2004年投入使用，在非常时期可为该空军基地提供24小时的电力供应。目前英国国防部正在试验将多硫化钠/溴液流蓄电系统用作潜艇主电源。

全钒液流蓄电系统的研究与开发工作也取得重要进展。目前，加拿大的VRB能源系统公司、日本的住友电气工业公司及Kashima-Kita电力公司正在致力于全钒液流蓄电系统的开发。全钒液流蓄电系统的正、负极活性物质均为具有不同价态的钒的化合物。加拿大VRB能源系统公司开发出用于电站调峰的2MWh/250kW全钒液流蓄电系统，和用于与风力发电配套的800kWh/200kW全钒液流蓄电系统。日本的住友电气工业公司与关西电力公司合作开发出输出功率为100kW的全钒液流蓄电系统，该成果获2001年度日本“能源与资源技术进步”奖。Kashima-Kita电力公司相继开发成功2kW和10kW钒电池电堆，其中10kW电堆已完成1000次循环试验，能量效率保持在80%左右。

德国、奥地利和葡萄牙等国家也在开展全钒液流蓄电系统的研究，并计划将其应用于光伏发电和风能发电的蓄电电站。

多硫化钠/溴液流蓄电和全钒液流蓄电两体系，各有优缺点，仍存在许多各自独有的和共有的问题，孰为更优尚未见分晓.比功率、转换效率和稳定性是高效液流蓄电系统的三大主要性能，围绕提高这三大重要性能指标，必须深入研究多学科交叉的科学问题和技术问题。

我国从上世纪80年代末开始液流蓄电系统的研究工作,中国地质大学与北京大学建立了全钒液流电池的实验室模型，研究了电池的充/放电性能。中国工程物理研究院电子工程研究所研制了碳塑电极，研究了全钒液流电池正极溶液的浓度及添加剂对反应的影响。广西大学研究了钒溶液在不同碳电极材料上的电化学行为及电池的快速充放电性能。东北大学在钒硫酸溶液中添加适量的硫酸钠和甘油提高了钒离子的溶解度和溶液的稳定性。中南大学与攀枝花钢铁研究院合作，开展了全钒液流蓄电系统及其关键材料的研究开发，在高浓度、高稳定性电解质溶液的基础研究工作方面取得重要进展。

中国科学院大连化学物理研究所从上世纪90年代末开始液流蓄电系统的研究工作，研制了270W铁－铬液流电池。2000年开始，开始了多硫化钠/溴液流储能电池的研究，2002年又开始了金钒液流储能电池的研究开发，先后组装了百瓦级和千瓦级多硫化钠/溴及全钒液流电池系统原理样机，对液流储能电池有了深刻的理解和认识，在电极设计制备、双极板设计制备、电解质溶液分配、电池组公用管道设计、电池组装及系统设计与集成等方面，积累了丰富的经验与教训，为今后的研究开发奠定了良好的基础。2005年，又得到了863后续能源领域的支持，开发出高效l0千瓦级多硫化钠/溴和全钒液流储能电池系统试验样机。该项目已取得重大进展，组成电堆的单电池由石墨板（双极板）、载有催化剂的碳毡（电极）和离子交换膜（隔膜）组成。同时，我们还研究和发展了全钒电池电解液的再生技术。全钒电堆以80毫安/平方厘米的电流密度进行充放电，能量效率大于80%。最大输出功率大于25千瓦。该项目日前通过了科技部组织的专家组验收并通过了辽宁省科技厅组织的专家组鉴定，达到国内领先，国际先进水平。

四、市场需求分析

离网发电的风力发电和光伏发电必须使用蓄电池进行调节，来保证供电的均衡和连续。根据国家经贸委下达的《2000—2015年新能源和可再生能源产业发展规划要点》，到2015年，小型风力发电机组年生产能力达到5万台，总产量累计将达到34万台，总装机容量为10.5万kW，总产值约9亿元，必将拉动蓄电池产业的发展，其中蓄电池的销售额应过亿。

大型电解、电镀及冶金等企业，电车、轻轨和地铁等交通部门，都是集中用电的大户，在电网负荷中占有相当的比例，拉闸限电极大地影响了正常的生产经营活动。如果建自备电厂，10万千瓦以下的燃煤电站已淘汰；石油涨价，柴油机发电的成本越发攀高，用于工业生产也不合埋。但如利用“谷”期的电对蓄电系统充电，且由于蓄电装置放电输出的是直流电，可以不经“变流/整流”而直接应用于生产，因此电能的总转换效率高，在成本上更为合算，利在企业，功在国家。

电力工业需“削峰填谷”用大规模的储能装置，据不完全统计，我国每年7000亿度，相当于建设3座三峡水电站，液流储能电池满足容量和功率须同时兼顾的大规模蓄电要求。因此，在该领域应有良好的市场前景。

国家政府机关、重要部门的应急电源，军用电源等都应是液流储能电池的重要应用领域和市场。